Лекция: гидрохимическая зональность подземных вод

Всюду в природе мы встречаемся с явлениями зонально­сти, причем гидрохимическая зональность является частным случаем проявления общего закона зональности. Различают два основных типа зональности: географическую или горизон­тальную и геологическую или вертикальную. Первый тип свойственен для атмосферных, поверхностных и грунтовых вод, находящихся под непосредственным ' воздействием гео­графических факторов. Второй тип более присущ для вод ар­тезианских бассейнов.

Наряду с зональными грунтовыми водами существуют и азональные. К зональным относятся такие грунтовые воды, условия залегания, питания, качество и режим которых, со­храняясь на некоторой площади, закономерно изменяется в каком-либо горизонтальном направлении в связи с зонально­стью климата и ландшафта, т. е. растительности, почвенного покрова, характера выветривания и т. и. Азональные грунто­вые воды не подчиняются закону зональности. Их химический состав обусловлен либо петрохимическими особенностями во­доносных пород, либо геоморфологическими условиями местонахождения грунтовых вод и другими причинами.

  Химический состав зональных грунтовых вод. Области питания грунтовых вод, как правило, сов­падают с областями их распространения, вследствие чего они подвержены действию местных факторов — гидрологических, метеорологических, почвенно-ботанических. С этими факторами и связана их гидрохимическая зональность.

        На севере грунтовые воды отличаются очень слабой минерализацией. Здесь простирается зона гидрокарбонатно-кремнеземных вод. В пределах Русской равнины развита зона гидрокарбонатных кальциевых вод слабой или умеренной минерализации (0,2— 0,5 г/л) при незначительном содержании сульфатов и хлоридов. Южнее следует зона грунтовых вод повышенной минера­лизации (0,5-1,0 г/л, и более), совпадающая с областью не­устойчивого увлажнения. Эта зона соответствует южной ча­сти черноземно-степной полосы. В грунтовых водах здесь уве­личивается содержание хлоридов и сульфатов, местами они становятся хлоридно-сульфатными. Еще южнее, уже в сухих степях, полупустынях и пустынях, зональными являются высокоминералнзованные сульфатно-хлоридные грунтовые водь: континентального засоления. В горных районах Средней Азии, Казахстана, Сибири, Кавказа, Крыма, где обычно выпадает много атмосферных осадков, развита зона гидрокарбонатных кальциевых вод умеренной или слабой минерализации.

Из сказанного следует, что зона сульфатных грунтовых вод в природе отсутствует. Как воды поверхностных водоемов, грунтовые воды на высоких стадиях минерализации становят­ся хлоридно-сульфатнымн или сульфатно-хлоридными. В про­цессе естественного испарения сульфаты участвуют в образовании, промежуточных ступеней между водами гидрокарбо­натного и хлоридного классов: сульфатно-гидрокарбонатных, гидрокарбонатно-сульфатных, хлоридно-сульфатных, сульфатно-хлоридных вод; стадия чистых сульфатных вод при этом не достигается. Следовательно, воды с явным преобладанием сульфатных ионов являются азональными. Их появление свя­зано с петрохимическими особенностями водоносных горизон­тов или же с подтоком вод из залегающих ниже водоносных го­ризонтов.

Такая смена гидрогеохимической зоны проявляются в широком региональном плане в ши­роком региональном плане. Гидрохимические зоны меньших размеров хорошо прослеживаются в пределах межгорных впадин аридной зоны. Весьма пресные гидрокарбонатные каль­циевые воды, стекающие в окаймляющих впадину горных возвышенностей, образуют грунтовый поток, направленный от периферии к центру впадины. Ввиду малых скоростей дви­жения подземных вод, исчисляемых обычно десятками метров в год, обогащение их солями осуществляется не столько в результате выщелачивания пород, сколько за счет испарительной концентрирования и транспирации влаги. По мере движе­ния, уже в пределах наклонных равнин, грунтовые воды по­степенно обогащаются сульфатами, а еще далее, в межгорных низменностях, достигают стадии высокоминерализованных сульфатно-хлоридных и хлоридных растворов. Здесь можно наблюдать упомянутую последовательную смену горизонтальных гидрохимических зон от маломинерализованных почти чистых гидрокарбонатных вод до высококонцентрированных хлоридных рассолов. Подобная же зональность будет фикси­роваться и у озер, расположенных в пределах межгорных впадин.

 К азональным грунтовым водам принято относить трещинные воды карстовых областей и массивов изверженных горных пород, а также воды аллювиальных отложений. Одна­ко, влияние климатического фактора распространяется и на указанные типы вод.

В связи с хозяйственной деятельностью человека появилась, новая группа азональных вод, возникшая в районах ис­кусственного, орошения и сброса промышленных и других вод в подземные горизонты. К азональным относятся также воды, связанные с рудными месторождениями и ореолами рассея­ния.                                                                                                                                                                                                                                                                              

Вертикальная гидрохимическая зональность заключается в закономерной смене по мере углубления в недра земли бо­лее или менее выраженных зон подземных вод, различающих­ся между собой по минерализации и химическому составу, а часто и по гидродинамическому режиму. Данный тип зональ­ности характерен для артезианских бассейнов.

 Зональность подземных вод прослеживается по вертикали по мере перехода к более глубоким горизонтам и, кроме того, в пре­делах самого водоносного пласта с удалением от области пи­тания к центру депрессии.

 В гидрохимических разрезах артезианских бассейнов СНГ чаще всего наблюдается воз­растание минерализации с приближением к кристаллическо­му фундаменту. Обычно различают три гидрохимические -зоны, более типичные для районов с влажным климатом: вер­хнюю зону — пресных вод с минерализацией менее 1 г/л; среднюю зону — солоноватых вод с минерализацией от 1 до 1О г/л; нижнюю зону — соленых вод и рассолов с минерали­зацией свыше 10 г/л,

Состав подземных вод верхней гидрохимической зоны, в случае циркуляции их в труднорастворимых породах, зависит преимущественно от климатических факторов. При избыточ­ном увлажнении преобладают воды пресные, гидрокарбонат­ные кальциевые. В поясе недостаточного увлажнения распространены воды разнообразной минерализации и сложного со­става. В случае циркуляции вод той же зоны среди пород легкорастворимых — гипсов, солей — и пород, содержащих раз­личные соли в рассеянном состоянии, состав подземных вод за­висит прежде всего от состава вмещающих пород.

Подземные воды второй гидрохимической зоны отличают­ся более высокой минерализацией (от 1 до 10 г/л). Это преи­мущественно воды слабо солоноватые с минерализацией от 1 до 3 г/л или сильно солоноватые с минерализацией от 3 до 10 г/л. Волы этой зоны содержат различные компоненты, но большей частью характеризуются преобладанием сульфатов и хлоридов. С данной зоной связаны наиболее ценные лечеб­ные сероводородные и некоторые другие воды.

Воды нижней гидрохимической зоны отличаются по составу от вод предыдущих зон. По преобладающим ионам это обычно хлоридные натриевые воды с минерализацией более 10 г/л. Здесь можно различать подзоны: а) соленых вод с ми­нерализацией 10—35 г/л; б) рассолов слабых — 35—150 г /л: урассолов крепких — 150—320 г/л; г) рассолов очень креп­ких — свыше 320 г/л.

Рассолы преимущественно относятся к типуIIIб, в очень крепких рассолах кальций иногда преобладает над натрием. Встречаются хлоридные кальциевые рассолы. Рассолы используются не только в лечебных, но и в промышленных целях. Наиболее концентрированные рассолы, как правило, распро­странены в глубоких частях артезианских бассейнов,.сложенных палеозойскими образованиями, содержащими соленосные отложения, и претерпевших длительную историю разви­тия. Такие зоны называют нормальными гидрогеохимическими разрезами.

. Различают еще четыре типа гидро­химических разрезов, формирование которых обусловлено раз­нообразными специфическими. условиями нарушающими за­кономерное увеличение минерализации вод с глубиной. Этими типами обозначаются случаи уменьшения минерализации с глубиной (тип 2), случаи возрастания минерализации в сред­ней части разреза (тип 3) и падения минерализации в средине разреза (тип 4) и, наконец, случаи более сложного строения гидрохимического разреза (тип 5). В гидрогеологической литературе происхождение гидрохимических зон принято интерпретировать как различные стадии метаморфизации подземных вод артезианского бассей­на по мере движения их из области питания к месту разгруз­ки. В частности, образование зоны сульфатных вод трактует­ся как результат метаморфизации гидрокарбонатных вод лежащей выше по разрезу гидрохимической зоныПод метаморфизацей надлежит понимать не все преоб­разования в ионном составе природных вод, а именно те ее изменения, которые происходят под влиянием кристаллиза­ции минералов (выпадение солей), катионного обмена и десульфатизации. Следовательно, метаморфизация является частным случаем общего процесса формирования химическо­го состава вод, включающего растворение горных пород, сме­шение вод разного состава и т. п. Если бы сульфатные воды являлись продуктами мотаморфизации гидрокарбонатных вод, то всюду в гидрогеологиче­ском разрезе земной коры наблюдалась бы закономерная сме­на гидрокарбонатной зоны сульфатной. На самом деле этого нет.

Зона сульфатных вод четко прослеживается в тех артезинских бассейнах, где имеются более или менее выдержанные горизонты гипсоносных пород. При отсутствии последних зона верхних гидрокарбонатных вод сменяется ниже зонами гидрокарбонатно – хлоридных и еще ниже – хлоридных вод.

В области многолетней мерзлоты влияние процессов криогенеза на вертикальную гидрохимическую зональность вы­ражается в формировании особой гидрохимической зоны, ог­раниченной толщей многолетнемерзлых пород, а также в из­менении минерализации и химического состава подмерзлотных и межмерзлотных вод.

На территории Казахстана  ывделяются четыре гидрогеохимические зоны: пресных слабосолоноватых вод с минерализацией до 3 г/л (зона А); умеренно и сильно солоноватых вод с минерализацией 3-10 г/л (зона Б); соленых вод с минерализацией 10-50 г/л (зона В) и рассолов с минерализацией более 50 г/л (зона Г). Каждая зона включает несколько подзон с промежуточными значениями минерализации.

Подземные воды зоны А распространены восновном в горных, предгорных и мелкосопочных районах, как правило, в верхней части гидрогеологического разреза.

Подземные воды зоны Б широко развиты как в первых от поверхности, так и в нижележащих водоносных горизонтах. В песчаных массивах Западного и Южного Казахстана, некоторых речных долинах и в краевых частях Тургайской впадины, на севере Устюрта и Южного Мангышлака, в центральной части п-ова Бузачи, на Подуральском плато и ряде участков Центрального, Северного Казахстана и Урало-Мугоджар они образуют горизонт грунтовых вод, залегающих на глубинах 1 – 30 м. В восточной и юго-восточной частях Прикаспийской впадины, Северном и Восточном Приаралье, на западе Прииртышья и ряде участков Чу-Сарысуйского, Южно-Прибалхашского и Центрально-Мангышлакского артезиансих бассейнов воды зоны Б высоконапорные и залегают на меловых и палеогеновых отложениях на глубинных от 100-150 ло 500-800 мм, нередко под солеными водами зоны В.

Подземные воды зоны В широко распространены в Западном и Северном, отчасти в Южном Казахстане и залегают как вблизи дневной поверхности (1-10 м), так и на глубине 300-800 м и более в артезианских бассейнах в толще четвертичных, неогеновых и палеогеновых и более древних песчано-глинистых отложений.

Подземные воды зоны Г наиболее щироко развиты в Прикаспийской впадине, на Мангышлаке и Устюрте, а также центральной частях Чу-Сарысуйской, Тениз-Кургальджинской и Тургайской впадин, где они залегают в различных литолого-возрастных отложениях, нередко начинаяс небольших глубин до складчатого фундамента.

В Казахстане выделены четыре зоны по химическому составу:

1) гидрокарбонатных вод (зона К) с четыремя подзонами подзонами: гидрокарбонатных кальциевых - К , гидрокабонатных магниевых - К , гидрокарбонатных кальциево-магниевых типа - К  и гидрокарбонатных натриевых - К ;  

2) сульфатных вод (зона Л) с тремя подзонами: сульфатных кальциевых - Л , сульфатных натриевых - Л  и сульфатных кальциево-натриевых - Л  ;

3) хлоридных вод (зона М) с четырьмя подзонами: хлоридных натриевых - М и М , хлоридных натриевых и натриево-магниевых - М  и хлоридных натриевых и натриево-кальциевых - М ;

4) разного состава вод (зона Н).

Зона К охватывает большую часть обширной территории восточной половины (особенно юг и юго-восток) республики и часть Сеаеро-Западного Казахстана, где она залегает либо в первых от поверхности водоносных горизонтах, либо в нижележащих горизонтах, вплоть до глубоких артезианских пластов (например в Северном Приаралье, на правобережье Иртыша, в Илийском бассейне).

Зона Л – преимущественного развития сульфатных вод – образуется как в толще первых от поверхности водоносных горизонтов, так и в артезианских бассейнах. В ее составе выделяются в основном три подзоны: сульфатных кальциевых сульфатных натриевых, местами также и сульфатных кальциево-натриевых (или кальциево-магниевых.) вод. Воды этой зоны охватывают низкогорные и мелкосопочные рудные районы южной и юго-западной частей Центрального и частично Южного Казахстана. Установлены в северныхчастях плато Устюрт и Южного Мангышлака, восточной и северо-восточной частях Прикаспийской впадины, в пределах плато Бетпак-Дала, на севере Северного Приаралья, в краевых обрамлениях Тенгизской, на северо-востоке Балхашской и на северо-западе Алакольской впадин. Воды этого типа приурочены в артезианских бассейнах Илийской впадины и прдгорных прогибов Южного Казахстана, а также в Сырдарьинской, Восточно- и Северо-Приаральской, в южной и юго-восточной частях Чу-Сарысуйской и в краевых обрамлениях Тургайской впадины.

Зона М – подземных хлоридных вод - весьма широко распространена в самых различных водоносных комплексах пород за исключением горных и возвышенных мелкосопочных районов, а также некоторых предгорных и межгорных впадин. Эта зона образуется (на части Чу-Сарысуйской, Тенгизской и Восточно-Аральской впадин, Южного Прибалхашья и т.д.) в первых от поверхности водоносных комплексах пород, а в центральных частях Прикаспийской, Тургайской и Тенгизской впадин, на юге Мангышлака и Устюрта охватывает весь разрез водовмещающих отложений.

Зона Н – смешанного анионного и катионного состава широко развита на равнинной территории, за исключением центральных районов Прикаспйской впадины, отдельных частей Северного и Южного Мангышлака, юга Устюрта, Центра Тениз-Кургальджинской и юга Тургайской впадин.

Гидрогеохимическая зональность с использованием гидрогеохимических мнтодов позволяют проводить поиски полезных ископаемых, т.е. на факте существования ореалов рассеяния залежей углеводородов, руд и солей в подземных водах, утанавливемых путем изучения их химического, микрокомпонентного, органического, газового, изотопного состава с учетом геологоструктурных, гидрогеологических, гидротермических  условий и геохимической обстановки территорий.

Гидрогеохимические исследования в нефтегазоносных целях являются составной частью геологоразведочных работ, проводимых на нефть и газ во всех глубоких впадин, потому что они отличаются высокой информативностью  и сравнительной дешивизной. В комплекс гидрогеологических показателей (критериев) нефтегазоносности по значению различных ингредиентов одземных вод (химические соединения, элементы и их изотопы) и др., кроме благоприятных геолого-структурных условий включаются следующие основные показатели: общегидрогеологические и палеогидрогеологические; гидрогеохимические, включающие воднорастворимые органические компоненты; газовые; гидродинамические; геотермические и микробиологические.

В Казахстане наиболее крупная промышленная нефтегазоносность связана с впадинами Западного Казахстана, а именно Прикаспийской впадиной и северо-западной частью Туранской плиты.

В Жанажольской нефтегазоносной зоне приконтурные воды нижнекаменноугольного карбонатного комплекса зоны ВНК (водонефтяной контур) имеют минерализацию 107-151 г/л при плотности 1.079-1.116 г/см . По классификации В.А.Сулина, они относятся к хлоридно-кальциевому типу. Типовые коэффициенты варьируют для rNa/rCl от 0.58 до 0.87 и (rСl – rNa) / rMg от 1.74 до 4.08. Коэффициент сульфатности незначительный – 0.79-0.93. Гидрогеохимическая среда относится к слабокислой (рН 6.0-7.2) с резко восстановительными условиями (Eh = - 210 ÷ 296 мВ). Воды содержат, мг/л; йод – 27.3 – 41.7; бром198- 460; бор – 46-182; фтор – 1.5-2.3; аммиак – 80-120. Кроме этого, в приконтурных водах месторождения установлены промышленные кондиции ряда элементов редкометалльной группы.

      Пластовые воды хлоркальциевые, по В,А.Сулину, имеют минерализацию 87-153 г/л, удельный вес 1.049-1.083 г/см  , нейтральную реакцию (рН 6.8-8.06) с восстановительными условиями (Eh = - 82-396 мВ). В них определены, мг/л: бор – 114-220; бром – 95-240; йод – 18-33; фтор – о.9-4.2 и аммоний – 70-300. В составе водорастворенных газов установлены, об.%: метан – 53.26-85.09; этан – 1.30-13.48; пропан – 0.45-8.70; бутан – 0.86-8.82; азот – 6.11-18-27; кислород – 0.16-3.08 и гелий – 0.008-0.006.     

    Под влиянием рудных месторождений изменяются химический, микрокомпонентный, газовый, органический, микробиологический составы подземных вод. Гидрогеохимическая зональность показывает, что наибольшее число гидрометаллогенных зон устанавливается в рудных поясах, наиболее длительно находяшихся в подвижном состоянии (Уралтау-Мугоджарский и Чу-Илийский), а наименьшее число зон - в рудных поясах со сравнительно узкимдиапозоном проявления тектоно-магматических процессов (Улутауский и Рудно-Алтайский). Остальные рудные пояса занимают промежуточные положения. В основу выделения таких поясов при гидрогеохимических исследованиях положены геохимические ассоциации элементов, наиболее близко отражающие геохимическую природу сочетания элементов, совместно находящихся в избыточных количествах в рудных телах или в сопровождающих их ореалах рассеянного рудного вещества во вмещающих породах. На основе этих принципов на территории основных рудных поясов горнорудных регионов (Уралтау-Мугоджарский, улутауский, Тектурмас-Успенский, Чу-Илийский, Чингиз-Тарбагатайский, Рудно-Алтайский, Северо-Тяньшанский, Джунгарский) выделены 14 типов гидрогеохимических ассоциаций, включающих 11 типов металлогенических ассоциаций и 3 типа ассоциаций, связанных с безрудными комплексами пород.

     Металлогенические пояса характеризуются следующими гидрогеохимическими ассоциациями:

полиметаллические; свинцово-цинково-молибденовые; олово-свинцово-цинковые; меднорудные; медно-молибденовые; ультроосновные плутонов; рутные; золоторудные; редкометальные; фосфорно-молибдено-ванадиевые и железорудные. Безрудные пояса представлены гидрогеохимическими ассоциациями породо-образующих минералов, элементов хемогенного накопления и совмещенных (сложных сочетаний).

     Территории Казахстана, особенно западные области, по геологическим и климатическим условиям наиболее благоприятна для формирования промышленных подземных вод. Из огромного разнообразияподземных минерализованных подземных вод только два генетических вида представляют практический интерес как возможный источник различных химических элементов – пластовые хлоридные воды и рассолы артезианских бассейнов. Выделяются четыре провинции промышленных вод: Прикаспийская, Мангышлак-Устюртская, Чу-Сарысуйская и Тенизская.

       В Прикаспийской провинции промышленных вод установлены три крупные области: Северо-Каспийская поликомпонентных вод, йодных вод Актюбинского Приуралья и Южно-Эмбинская йодо-бромных вод. К примеру, в Северо-Каспийской части воды в нижнепермском соленосных отложениях 

представлены рассолами с мнерализацией от 215 до 480.5 г/л. Содержание в них ценных компонентов составляет, мг/л: рубидия – 0.7-28.0; цезия – о.01-0.45; стронция – 192.0-5800.0; калия – 1985.0-8500.0; йода – 1.0-35.0; брома – 394.3-745.2; бора – 60.0-1000.0.

      Минеральные подземные воды по ряду химических составов и физических свойств проявляют бальнеологические качества.  Они исключительно разнообразны по химическому и газовому составу, степени минерализации, содержанию биологически активных компонентов, температуре, а также по характеру лечебного действия на организм человека. Устанавливаются шесть бальнеологических групп минеральных вод.

       Воды сероводородные (сульфидные), их лечебные действия определяется наличием в составе свободного сероводорода и гидросульфидного иона, сумма их не менее 10 мг/л. Эти воды установлены в Прикаспийской и Мангышлак-Устюртской впадинах.

      Воды железистые и мышьяковистые, лечебное действие их определяется присуствием более

20 мг/л железа или не менее 0.7 мг/л мышьяка. Характерными представителями их являются Аулиекизское (Семипалатнская область), Жосалинское, Каркаралинское (Карагандинская область), Рождевственское (Акмолинская область), Сугатинское и Кремнюхинское (Восточно-Казахстанская область), Коунрадское (Жезказганская область) местрождения минеральных вод.

      Воды бромные и йодо-бромные, местами с высоким содержанием органических веществ, минеральные воды установленыв артезианских бассейнах Прикаспийской впадины, Мангышлак-Устюрта, а также в глубоких прогибах и мульдах Северного и Восточного Приаралья, Ишим-Иртышского водораздела и Центрального Казахстана.

      Радоновые воды (радиактивные), лечебное их значение определяется наличием не менее 5 нКи/л радона. Они прурочены в основном к зонам тектонических нарушений в интрузмвных и эффузивных породах.

      Кремнисто-термальные воды, лечебное действие их определяется наличием не менее 50 г/л кремнистой кислоты. Воды широко распространены в Заилийском (Алмарасанское, Горельникские, Жамантинские, Тургенские, Курамские источники и др.), Жонгарском Алатау (Большие и Малые Усекские, Капаларасанские, Капальские, Коксуйские, Ойсазски и др.), в горах Тарбагатая (Барлыкские)и Алтая (Рахмановские источники).

       Воды без «специфических» компонентов и свойств, лечебное значение их определяется только ионно-солевым составом при наличии в их газовой составляющей азота и метана. К этой бальнеологической группе отнесены минеральные воды различного химического и газового состава, минерализации. Они развиты почти на всей территории Казахстана как в гидрогеологических массивах, так и в артезианских бассейнах.            

     Основная литература: ОЛ 1 [110 - 116], 3 [173 - 183].    

     Дополнительная литература: ДЛ 9.

     Контрольные вопросы:

       1. Что называют гидрогеохимической зоной?                  

2. Что называют зональностью?

3. Назовите основные типы зональности.

Планы лабораторных занятий